Le superalliage fait référence à une classe de matériaux métalliques basés sur des éléments (fer, cobalt, nickel), ajoutant un grand nombre d'éléments de renforcement, qui peuvent travailler à une température élevée supérieure à 600℃ et sous certaines contraintes pendant une longue période. Le superalliage a une résistance élevée à haute température et une bonne résistance à l'oxydation, une résistance à la corrosion thermique, une résistance à la fatigue, une bonne stabilité organisationnelle et une fiabilité de service à haute température, c'est pourquoi il est également connu sous le nom d'alliage de résistance à la chaleur, d'alliage de résistance à la chaleur ou de superalliage.
superalliages : vue d'ensemble
Le superalliage est un nouveau type de matériau métallique pour l'aviation développé dans les années 1940. Il peut résister à des contraintes complexes et fonctionner de manière fiable pendant longtemps dans des conditions d'oxydation et de corrosion gazeuse à 600-1100℃. Les superalliages sont principalement utilisés dans les parties chaudes des moteurs aéronautiques et sont également largement utilisés dans l'aérospatiale, l'énergie, les transports et les industries chimiques.
Du point de vue des industries subdivisées, les matériaux en superalliage font partie des matériaux structurels métalliques haut de gamme dans le domaine des nouveaux matériaux. Ils présentent d'excellentes performances globales, une résistance et une plasticité excellentes à haute température, une bonne résistance à l'oxydation et à la corrosion thermique, une excellente résistance au fluage, une résistance à la rupture et une bonne stabilité organisationnelle, et sont devenus des matériaux spéciaux clés pour le développement de nombreux domaines industriels importants.
Caractéristiques de performance des matériaux en superalliage :
- Excellentes résistance et plasticité à haute température
- Bonne résistance à l'oxydation et à la corrosion thermique
- Excellente résistance au fluage et à la fission
- Bonne stabilité organisationnelle
- L'usinage par déformation est difficile
- Bon rapport performance-prix
Classification des superalliages
Avec les progrès constants de la technologie et des matériaux, les produits en superalliage sont constamment itérés, la capacité de résistance à la température est constamment améliorée, et les performances globales sont constamment améliorées. Ils ont été modifiés par rapport au superalliage de coulée traditionnel et au superalliage de déformation. Une série de nouveaux matériaux de superalliage tels que le superalliage en poudre, les composés intermétalliques de titane et d'aluminium, le superalliage renforçant la dispersion d'oxyde, le superalliage résistant à la corrosion, la métallurgie des poudres et les nanomatériaux ont été mis au point.
Classification des superalliages
Les superalliages peuvent être classés selon différentes méthodes de classification.
- Fer de base ou superalliage fer-nickel
- Superalliage à base de nickel
- Superalliage à base de cobalt
- Superalliage renforcé par solution solide
- Superalliage renforcé par précipitation
- Superalliage déformé
- Superalliage coulé
- Superalliage en poudre
- Superalliage résistant à la corrosion à chaud
- Superalliage à faible expansion
- Superalliage à haute limite d'élasticité
- Superalliage pour aubes de turbine
- Superalliage pour aubes directrices de turbines
- Superalliage pour la chambre de combustion
Technologie de préparation des superalliages
Au cours du développement du superalliage, la technologie joue un rôle important dans la promotion du développement du superalliage. Le processus de production et de préparation du superalliage est complexe, les principaux processus étant la fusion, le moulage et le traitement thermique. La stabilité du processus de production et de la technologie a une influence directe sur les propriétés mécaniques des matériaux en superalliage. Le développement rapide de l'économie, de la science et de la technologie pour le développement et la promotion d'une variété de nouveaux matériaux superalliés offre un large espace de développement, dans le cas d'exigences de plus en plus élevées pour les propriétés de l'alliage, il est nécessaire d'améliorer et d'optimiser constamment une variété de processus, afin de s'assurer qu'une variété de processus et de matériaux superalliés s'adaptent aux changements. L'amélioration continue du processus peut réaliser l'amélioration continue de la performance, le développement de nouveaux superalliages, et ensuite promouvoir le développement de produits et d'industries connexes.
- Procédé de fusion
Le contrôle strict de la composition chimique est la base de la garantie d'une excellente performance du superalliage. Le processus de fusion permet d'éliminer efficacement les inclusions dépassant la taille critique, de réduire la teneur en oxygène, en azote et en soufre, et d'améliorer la pureté du superalliage à partir de la source. Par conséquent, le processus de fusion occupe la première place dans le processus de préparation du superalliage.
Actuellement, les principales méthodes de fusion des superalliages dans le monde sont le four à induction sous vide (VIM), le four consommable sous vide (VAR) et le four de refonte sous laitier électroconducteur (ESR). Ces dernières années, l'application des nouveaux superalliages représentés par les superalliages en poudre s'est de plus en plus étendue, et le processus de fusion des superalliages en poudre est devenu une technologie de recherche de pointe. Au niveau international, les superalliages en poudre russes adoptent le procédé de fusion double VIM ou VIM+VAR, et les superalliages en poudre américains adoptent le procédé triple VIM+ESR+VAR. Toutefois, le superalliage en poudre national adopte essentiellement le procédé de raffinage unique VIM, ce qui fait que la pureté du matériau chinois est inférieure au niveau avancé des pays étrangers.
- coulée
La technologie de coulée de précision du superalliage est principalement la coulée à la cire perdue, qui a évolué vers le type de cristal équiaxe, le type de cristal cylindrique directionnel et le type de cristal unique. À l'heure actuelle, les pièces moulées en superalliage ont commencé à se développer dans le sens de la complexité, de la grande échelle et de la haute précision, ce qui pose certains défis au processus de moulage et au processus, et favorise également le progrès continu de la technologie de moulage de précision à la cire perdue, de la technologie de fusion sous vide à la technologie de moulage non résiduel, à la technologie de solidification directionnelle, à la technologie monocristalline et à d'autres aspects.
Il existe également un lien direct entre l'amélioration de la technologie de coulée et la production et la fabrication de matières premières en superalliage. Il est nécessaire de combiner les caractéristiques des matériaux en superalliage et l'utilisation des pièces moulées, d'améliorer le mode et le mécanisme technologiques correspondants, de contrôler la performance des matériaux et de garantir la stabilité du processus de production. Actuellement, dans le processus de production, il est difficile de contrôler les paramètres de composition et les paramètres de solidification du superalliage, et il est facile de voir apparaître des défauts tels que des taches de rousseur, des fissures à chaud et un relâchement pendant la production de solidification directionnelle ou la production de monocristaux, ce qui affecte sérieusement la performance des produits à haute température. Dans le cadre du processus de recherche aux États-Unis, la technologie de solidification directionnelle à gradient élevé est utilisée pour produire des pales de moteur d'avion, ce qui réduit efficacement l'incidence des taches de rousseur, contrôle strictement les paramètres du gradient de température en fonction de la taille de chaque pièce et joue un certain rôle dans l'optimisation et l'amélioration de la production.
Classification des moulages de précision : principalement moulage à la cire perdue, moulage en céramique, moulage en métal, moulage sous pression, moulage à chaud.
- Traitement thermique
Avec l'application de nouveaux matériaux superalliés et les exigences élevées en matière de propriétés des alliages, le traitement thermique est un processus essentiel. Le traitement thermique des superalliages fait référence à une sorte de processus de travail à chaud des métaux dans lequel les matériaux de superalliage sont chauffés, isolés et refroidis à l'état solide pour obtenir la microstructure et les propriétés attendues. Ces dernières années, le traitement thermique en solution solide et le traitement thermique de vieillissement ont été étudiés de manière systématique pour les superalliages.
⁎ Le traitement thermique de la solution solide signifie que la phase de précipitation avec une distribution inégale dans l'alliage est entièrement dissoute dans la phase de la matrice à une température supérieure à la température de solution totale de la phase précipitée dans la structure du superalliage, de manière à renforcer la solution solide, à améliorer la ténacité et la résistance à la corrosion, et à éliminer la contrainte résiduelle, afin de poursuivre le traitement et le formage, et de préparer la phase de précipitation avec une distribution uniforme dans le traitement de vieillissement ultérieur.
⁎ Le traitement thermique de vieillissement consiste à chauffer et à maintenir pendant un certain temps dans l'intervalle de température de la précipitation de la phase renforcée, de sorte que la phase renforcée du superalliage précipite uniformément et que le carbure soit uniformément réparti, afin de réaliser le rôle de durcissement de l'alliage et d'améliorer sa résistance.
Application du superalliage
Le marché mondial des superalliages continue de croître, la Chine devenant un marché supplémentaire important. Sur le marché chinois des superalliages, les superalliages déformés et les superalliages à base de nickel représentent la plus grande proportion. Selon le procédé de fabrication, le superalliage déformé représente environ 70% de l'ensemble du marché des superalliages, suivi par le superalliage coulé (20%) et le superalliage en poudre (10%). Selon les éléments de la matrice de l'alliage, le superalliage à base de nickel représente environ 80%, le superalliage à base de nickel et de fer et le superalliage à base de cobalt représentent respectivement 14% et 6%.
Le plus grand scénario d'application du superalliage est le domaine aérospatial, avec une part de la demande de 55%. Le superalliage est une matière première importante pour la fabrication des moteurs aérospatiaux. Il est principalement utilisé dans les chambres de combustion, les guides, les aubes de turbine, les disques de turbine, les tuyères, les carters et d'autres composants. Deuxièmement, le superalliage possède d'excellentes propriétés telles que la résistance aux températures élevées et la résistance à la corrosion. Il est également largement utilisé dans les turbines à gaz, la pétrochimie, l'industrie et l'automobile.
1) Aeroengine
Le superalliage est utilisé dans les moteurs aéronautiques depuis sa naissance. Dans les moteurs aéronautiques modernes, les matériaux en superalliage sont principalement utilisés dans les quatre principaux composants de l'extrémité chaude : la chambre de combustion, la chambre de guidage, l'aube de turbine et le disque de turbine, ainsi que dans le carter, les pièces annulaires, la postcombustion et la tuyère d'empennage.
2) Turbocompresseurs automobiles
La turbine du turbocompresseur de gaz d'échappement de l'automobile est également un domaine d'application important des matériaux en superalliage. Aujourd'hui, la plupart des fabricants de turbocompresseurs de notre pays sont des turbocompresseurs en superalliage à base de nickel, qui forment un rotor avec l'arbre à vortex et la roue du compresseur. Selon la consommation de superalliages des turbocompresseurs pour 10 000 véhicules, soit environ 3,5 tonnes, l'industrie automobile aura besoin d'environ 9 128,7 tonnes de superalliages en 2021, et la taille du marché est d'environ 1,83 milliard de yuans. Compte tenu de l'augmentation du nombre de voitures à l'avenir et du taux d'assemblage en Chine, on estime que la demande totale de matériaux en superalliage sur le marché automobile chinois sera d'environ 106 000 tonnes d'ici 2030, en supposant un taux de croissance annuel moyen de 5% à l'avenir.
3) L'énergie nucléaire
Les superalliages destinés à l'énergie nucléaire comprennent les matériaux de gainage des éléments combustibles, les matériaux structurels, les grilles de positionnement des barres de combustible, les échangeurs de chaleur pour les fours à gaz à haute température, etc.
Le rapport sur le combustible nucléaire publié par l'Association mondiale de l'énergie nucléaire prévoit que la capacité nucléaire installée mondiale devrait augmenter à un taux annuel de 2,6%, et d'ici 2040, la capacité nucléaire installée mondiale atteindra 615 millions de kilowatts, et la croissance de la capacité installée proviendra principalement de la Chine, de la Russie et d'autres pays. En janvier 2022, avec l'unité 6 de la centrale nucléaire de Fuqing connectée au réseau, la Chine continentale comptait 53 unités de production d'énergie nucléaire connectées au réseau, pour une capacité installée totale de 5 4636 695 kW, ce qui la plaçait au troisième rang mondial après les États-Unis et la France. L'administration nationale de l'énergie estime que la capacité nucléaire installée de la Chine atteindra 120 à 150 millions de kilowatts en 2030. On estime donc que la Chine achèvera environ 80 millions de kilowatts de nouvelles unités nucléaires d'ici 2030. Chaque centrale nucléaire de 600 000 kilowatts nécessite environ 600 tonnes de matériaux en superalliage, de sorte que la demande totale de matériaux en superalliage est d'environ 80 000 tonnes. Si l'on considère que le taux de production nationale pour la construction de centrales nucléaires est d'environ 80%, on s'attend à ce que la demande nationale annuelle moyenne de superalliages soit d'environ 7 111 tonnes à l'avenir.
4) Autres domaines
Les matériaux en superalliage sont également largement utilisés dans la fabrication du verre, la métallurgie, les instruments médicaux et d'autres domaines.
